科学家研究发现不靠基因或能遗传

2012年03月12日 11:44  

　　科学家们关于线虫的一个研究结果表明，不仅环境可以影响基因表达，而且仅通过改变基因外的蛋白就可以开关基因功能，这一结果更首次证明了不需要改变基因，这种长寿也可以遗传。现在，科学家们正在确定这种不靠基因就可以遗传的长寿现象是否具有广泛性，为将来研究人类的长寿做准备。

　　几乎所有人都知道，遗传得考基因，这是唯一的途径。

　　但是，最近科学家们发现，有一种生长于泥土中的线虫，当其发生突变而成为长寿线虫后，即使其后代没能从基因水平上继承这一长寿突变，也会将这一长寿特质遗传给下一代。也就是说，在基因没有发生改变的前提下，只需改变外部的环境因素，长寿依然可以“遗传”。科学家们的这一相关研究结果已发表于近期《自然》(Nature)杂志网络版上。

　　神奇的发现

　　美国斯坦福大学和哈佛大学的科研人员以线虫为对象研究长寿的相关基因。这是一种研究细胞衰老和长寿最常用的模式生物之一。因为科学家对它的遗传系统非常熟悉，对其相关的基因和蛋白功能了如指掌，所以稍有变化就能清楚地检测到；而且，线虫寿命有限，一般就是两三周，倘若有基因或是因素影响到线虫的寿命，能随时观察到。

　　以往的常规研究一般都关注基因序列的变异对线虫寿命的影响，进而确定长寿相关的基因。科学家也确实发现了一些基因的变化会改变线虫寿命。然而在这次实验中，科学家运用了特殊的手段，于是有了意外的发现。

　　这项研究始于2010年，斯坦福大学的安妮·布鲁内特(Anne Brunet)带领的小组专门研究一种名为ASH－2的蛋白质。他们发现，这种蛋白在老化基因的开放与关闭中扮演着很重要角色，它会通过影响组蛋白和DNA的复合体，从而决定基因是否正常表达：当有这种蛋白存在时，基因会呈现一种开放状态，也就是一种表达增强的状态，线虫会正常衰老死亡；而缺乏这种蛋白时，基因就是一个封闭结构，抑制表达，从而延长寿命。实验观察结果表明，当线虫缺乏ASH－2时，其寿命平均可延长30%。

　　在此研究的基础上，安妮·布鲁内特的学生艾瑞克·格里(Eric Greer)继续深入。他首先从基因水平上进行改造，阻断了ASH－2的形成，再次证实了线虫寿命有所延长；然后，他进一步培育这个长寿线虫的后代，跟踪观察后代、再后代的寿命。结果他发现了一个很意外的现象：虽然后代线虫的基因都已恢复正常，但是它们的老化基因都没有被正常表达，这些线虫保留了祖先的长寿记忆，仍旧都是长寿线虫。这一现象一直持续到第四代。

　　这一结论非常有趣。以往，科学家们都是通过改变基因来影响线虫的寿命，而这次的研究结果不仅表明环境可以影响基因表达，而且仅通过改变基因外的蛋白就可以开关基因功能，这一结果更首次证明了不需要改变基因，这种长寿也可以遗传，尽管目前看来这种遗传仅仅持了四代，并不能持续太久，但这也从另一个角度证实，与此相关的遗传病可能并不来源于基因的改变。

　　拉马克再现？

　　科学家的这一发现，也同时让人费解。

　　说起来，其实，这种不改变基因的遗传方式，并不是首次发现。科学家以前就曾观察到，一些花的颜色改变并不是由基因导致的，但这种变色却能够遗传。在生物学上，这被称之为“表观遗传学”。这一理论的主要代表人物就是我们熟知的拉马克(Jean－Baptiste Lamarck)，也就是我们中学课本中，和达尔文比较对立的那个家伙。还是让我们先把关于遗传和进化的观点梳理一下吧。

　　人尽皆知，我们星球上如今存在的物种是经过亿万年进化而来，主要理论就是达尔文的进化论——不同物种的不同性状在自然选择之下，处于竞争优势的，其存活和繁衍能力就更强，久而久之，物种通过生存竞争，经过自然的选择淘汰，不利的基因最终将被剔除，存在下来的都是有利于物种生存的，从而使物种向前进化。达尔文的进化论强调的是一种“优胜劣汰”。

　　而拉马克学说则认为，生物本身有一种由低等向高等发展的动力，进化动力是一种生物内因，它们通过自身对环境的适应来发生改变，顺应环境的变化，而且这种变化可以遗传。拉马克强调的是“用进废退”。

　　关于达尔文和拉马克理论两者之间的差别，有一个非常著名的长颈鹿例子——争议的焦点在于，究竟是自然选择了更长的脖子，为了让它们能吃到更高树叶，淘汰了短脖子，从而让长脖子越来越多，后代都成为了长脖子呢，还是为了吃到更高树叶，短脖子越伸越长，通过获得性遗传，后代也都变成了长脖子呢？

　　这绕口令般的矛盾，其焦点就是获得性遗传，也就是我们所说的“表观遗传学”。所谓获得性遗传，顾名思义，就是两点：获得性和遗传。获得性指的是通过后天的(非先天的)外界环境的影响所表现的性状特征；遗传是指这种外界影响的改变能够遗传给下一代。在当时的条件下，达尔文和拉马克的学说都各有支持者，后来在大量实验的验证下，尤其是遗传学的发展，也就是我们熟知的孟德尔定律被证实，达尔文的进化论逐渐得到肯定。

　　随着分子生物学的知识和技术手段的日渐成熟，人们揭示出了遗传的基本规律，那就是遗传信息的复制、转录、翻译，不同的基因序列会决定不同的结果。我们生命的特征和意义都存在于基因序列中。比如黑头发、黑眼睛与金发碧眼，都是基因决定的。如果基因不发生变化，那么后代都会这般稳定遗传。

　　这是一个很顺畅的已经被广泛接受的真理，但是，最近有越来越多的实验得出了不同的结论：比如去年就有两篇论文涉及到表观遗传学，一篇介绍了用高脂肪食物喂养雄鼠，其雌性后代会变胖；另一篇介绍了通过外因来改变老鼠体内胆固醇的新陈代谢，其后代体内的胆固醇含量也会随着发生改变。在更早些时候的例子中，当雌性老鼠食用了某些特定的食物后，会改变其后代的毛色。至于低等动物和植物中，这类似的例子则更多。引人注目的是，在这些案例中，都没有改变基因，却都发生了性状的遗传，也就是都具有获得性遗传：后天获得的特征可以不改变基因密码而传给后代。而在线虫实验中，首次发现长寿这种复杂现象也可以表观遗传。

　　未解之谜

　　如今，科学家已经越来越多地发现了表观遗传的例子，也正开始重视这一现象。当然他们也对这一现象提出了自己关心的问题，同时也正尝试着解答，比如本文所介绍的实验，科学家想解开的疑问是：既然长寿能够遗传，那为何只遗传四代就结束了呢？据瑞士苏黎世联邦理工大学表观遗传学家雷纳多·帕罗(Renato Paro)推测，发生变化的位点标记虽然能够遗传，但在一代又一代的遗传过程中，会逐步被稀释，就如同一杯糖水，在反复冲兑后，最终会没有甜味。这一标记在传递三代以后，也就不足以体现了。

　　表观遗传的核心问题仍旧是一个谜：这种标记究竟是如何得以遗传下来的？

　　一般的观点认为，倘若外界影响了基因，比如常见的甲基化，就是在DNA上某些特定部位结合了甲基，就称为表观基因标记，到受精时，生殖细胞的表观基因标记都会抹掉，甲基化过的基因会完全去甲基化。所以，通常情况下，这种标记不会传递下去，即先辈获得的性状，后代无法继承。

　　但是现在，这通常的一般状况正出现更多的特例。在2007年有科学家发现，一种蛋白能够保护小鼠卵细胞中部分基因的甲基化标记，也就是说，存在着表观基因标记从父辈传递到下一代的可能。

　　本文所述的实验也再次证明这一现象是可以实现的。但具体的分子机制则仍旧让人难以理解。虽然基因序列没有变化，但从DNA到蛋白质，中间却有太多的步骤可以对基因的最后表达有调控作用，比如我们刚才说的甲基化，还有乙酰化，还有siR－NA在其中调控，还有蛋白质的修饰变化，这些都会对最终的结果产生影响。

　　斯坦福的布鲁内特推测，线虫实验的长寿遗传有可能是细胞通过某种RNA分子或代谢产物对表观遗传学修饰的位置进行了标记，从而让后代记住这一优良特性。他们正通过实验努力搜寻这种标记，来印证自己的推断。因此，表观遗传学家雷纳多·帕罗认为这是目前表观遗传学研究中需要解析的一个重大问题。

　　另一个存在疑惑的地方是，线虫身上得到的长寿遗传数据究竟有多大的适用范围。因为发现的关键蛋白ASH－2在很多物种体内都存在，小到单细胞的酵母，大到我们人类，是不是可以将这个试验的研究结果复制到我们人类身上呢？

　　暂时来看，这一期待还是过于乐观。主要科研人员吉姆斯(Gems)指出，线虫相对简单，因此它的寿命也更容易受到某些外因的影响，但我们人类则要复杂很多，寿命受很多因素影响。因此，这个实验只是一个开始，科研人员接下来计划用更高级更复杂的动物来进行实验，以确定这种不靠基因就可以遗传的长寿现象是否具有广泛性，为将来研究人类的长寿做准备。